Z atomem przez wieki - część 1
"Już starożytni…"
… filozofowie doszli do wniosku, że cała przyroda zbudowana jest z niedostrzegalnie małych drobin. Oczywiście w owym czasie (i jeszcze bardzo długo później) uczeni nie mieli możliwości sprawdzenia swych przypuszczeń. Były one jedynie próbą wyjaśnienia obserwacji przyrody i odpowiedzi na pytanie: "Czy materię można rozdrabniać bez końca, czy też istnieje kres podziału?"
Odpowiedzi udzielono w różnych kręgach kulturowych (najwcześniej w starożytnych Indiach), ale na rozwój nauki wpłynęły dociekania filozofów greckich. W wakacyjnych numerach "Młodego Technika" z ubiegłego roku Czytelnicy poznali wielowiekowe dzieje odkrywania pierwiastków ("Perypetie z pierwiastkami", MT 7-9/2014), które również miały początek w starożytnej Grecji. Już od VII wieku przed naszą erą podstawowego składnika budującego materię (pierwiastka, żywiołu) doszukiwano się w różnych substancjach: wodzie (Tales), powietrzu (Anaksymenes), ogniu (Heraklit) czy też ziemi (Ksenofanes).
Wszystkich pogodził Empedokles, stwierdzając że materia składa się nie z jednego, ale z czterech żywiołów. Arystoteles (IV wiek p.n.e.) zaś dołożył jeszcze jedną, idealną substancję - eter wypełniający cały Wszechświat oraz stwierdził możliwość przemian żywiołów. Nad położoną zaś w centrum Wszechświata Ziemią czuwało niezmienne od zawsze niebo. Dzięki autorytetowi Arystotelesa owa teoria budowy materii i całego kosmosu była uważana za obowiązującą przez ponad dwa tysiące lat. Stała się m.in. podstawą rozwoju alchemii, a w konsekwencji i samej chemii (1).
Jednak równolegle rozwijała się także inna hipoteza. Leukippos (V w. p.n.e.) uważał, że materia składa się z niezmiernie małych cząstek poruszających się w próżni. Poglądy filozofa rozwinął jego uczeń - Demokryt z Abdery (ok. 460-370 p.n.e.) (2). "Klocki", z których zbudowana jest materia, nazwał atomami (gr. atomos = niepodzielny). Twierdził, że są one niepodzielne i niezmienne, a ich liczba we Wszechświecie jest stała. Atomy poruszają się w próżni.
Gdy atomy łączą się (za pomocą systemu haczyków i oczek) - powstają wszystkie możliwe ciała, gdy zaś oddzielają się od siebie - ciała ulegają zniszczeniu. Demokryt uważał, że jest nieskończenie wiele rodzajów atomów, różniących się od siebie kształtem i wielkością. Cechy atomów określają własności substancji, np. słodki miód zbudowany jest z gładkich atomów, a kwaśny ocet z kanciastych; ciała o białej barwie tworzą gładkie atomy, a te w kolorze czarnym - atomy o chropowatej powierzchni.
Na cechy materii wpływa również sposób powiązania budulca: w twardych ciałach atomy ściśle do siebie przylegają, natomiast w miękkich ułożone są luźno. Kwintesencją poglądów Demokryta jest stwierdzenie: "Realnie istnieje tylko próżnia i atomy, wszystko inne jest złudzeniem."
W późniejszych wiekach poglądy Demokryta były rozwijane przez kolejnych filozofów, pewne odniesienia znalazły się również w dziełach Platona. Epikur - jeden z następców - uważał nawet, że atomy składają się z jeszcze mniejszych składników ("cząstek elementarnych"). Jednak atomistyczna teoria budowy materii przegrała z żywiołami Arystotelesa. Kluczowe - już wtedy - okazało się doświadczenie. O ile nie było narzędzi umożliwiających potwierdzenie istnienia atomów, przemiany żywiołów dało się łatwo zaobserwować.
Dla przykładu: podczas ogrzewania wody (żywioł zimny i wilgotny) otrzymywano powietrze (gorąca i wilgotna para wodna), a na dnie naczynia pozostawała ziemia (zimne i suche osady z substancji rozpuszczonych w wodzie). Brakujących cech - gorąca i suchości - dostarczał użyty do podgrzania naczynia ogień.
Niezmienność i stała liczba atomów również były sprzeczne z obserwacjami, wszak aż do XIX wieku uważano, że drobnoustroje powstają "z niczego". Poglądy Demokryta nie dawały również podstaw do alchemicznych doświadczeń związanych z transmutacją metali. Trudno było także wyobrazić sobie i badać nieskończenie wiele rodzajów atomów. Teoria żywiołów prezentowała się jako znacznie prostsza i przekonująco tłumaczyła otaczający świat.
Upadek i odrodzenie
Przez kolejne wieki teoria atomistyczna stała na uboczu głównego nurtu nauki. Jednak nie zginęła całkowicie, jej idee przetrwały, docierając do europejskich uczonych w postaci arabskich tłumaczeń filozoficznych dzieł starożytnych. Wraz z rozwojem ludzkiej wiedzy zaczęły upadać podstawy teorii Arystotelesa. Heliocentryczny system Mikołaja Kopernika, pierwsze obserwacje pojawiających się znikąd supernowych (Tycho de Brache), odkrycie praw ruchu planet (Johannes Kepler) oraz księżyców Jowisza (Galileusz) sprawiły, że w XVI i XVII wieku ludzie przestali żyć pod niebem niezmiennym od powstania świata. Na Ziemi również nadciągał kres poglądów Arystotelesa.
Wielowiekowe próby alchemików nie przyniosły oczekiwanych rezultatów - nie udało się przemienić pospolitych metali w złoto. Coraz więcej uczonych poddawało w wątpliwość istnienie samych żywiołów, przypomniano sobie o teorii Demokryta.
Robert Boyle w 1661 r. przedstawił praktyczną definicję pierwiastka chemicznego jako substancji, której nie daje się rozłożyć na składniki metodami analizy chemicznej (3). Uważał, że materia zbudowana jest z małych, litych i niepodzielnych cząstek, różniących się od siebie kształtem i wielkością. Grupując się, tworzą one cząsteczki związków chemicznych, z których zbudowana jest materia.
Te najdrobniejsze cząstki Boyle nazwał korpuskułami, czyli "ciałkami" (zdrobnienie od łacińskiego słowa corpus = ciało). Na poglądy Boyle'a niewątpliwie wpłynął wynalazek pompy próżniowej (Otto von Guericke, 1650) oraz udoskonalenie pomp tłokowych do sprężania powietrza. Istnienie próżni oraz możliwość zmiany odległości (w wyniku sprężania) pomiędzy korpuskułami powietrza świadczyły na korzyść teorii Demokryta (4).
Atomistą był również największy uczony tego czasu - sir Isaac Newton (5). Opierając się na poglądach Boyle'a, wysunął hipotezę dotyczącą łączenia się korpuskuł w większe twory. W miejsce starożytnego systemu oczek i haczyków za ich wiązanie odpowiedzialna była - jakże by inaczej - grawitacja.
W ten sposób Newton zunifikował oddziaływania w całym Wszechświecie - jedna siła kierowała zarówno ruchem planet, jak i budową najdrobniejszych składników materii. Uczony sądził, że również światło składa się z korpuskuł.
Dziś już wiemy, że "w połowie" miał rację - liczne oddziaływania promieniowania z materią tłumaczy się, traktując je jako strumień fotonów.
Do gry wchodzi chemia
Prawie do końca XVIII wieku atomy były domeną fizyków. Jednak to rewolucja chemiczna zapoczątkowana przez Antoine'a Lavoisier'a sprawiła, że koncepcja ziarnistej budowy materii została powszechnie przyjęta.
Odkrycie złożonej budowy antycznych pierwiastków - wody i powietrza - definitywnie obaliło teorię Arystotelesa. W końcu XVIII wieku prawo zachowania masy i przekonanie o niemożności dokonania transmutacji pierwiastków również nie budziły już zastrzeżeń. Waga stała się standardowym wyposażeniem laboratorium chemicznego.
Dzięki jej użyciu zaobserwowano, że pierwiastki łączą się ze sobą w określone związki chemiczne w stałych proporcjach wagowych (niezależnie od ich pochodzenia - naturalne czy sztucznie otrzymane - oraz sposobu syntezy).
Obserwacja stała się łatwo wytłumaczalna po przyjęciu założenia, że materia zbudowana jest z niepodzielnych, stanowiących całość porcji - atomów. Tym tropem podążył twórca nowoczesnej teorii atomistycznej - John Dalton (1766-1844) (6). Uczony w roku 1808 stwierdził, że:
- Atomy są niezniszczalne i niezmienne (wykluczało to oczywiście możliwość alchemicznych transmutacji).
- Cała materia złożona jest z niepodzielnych atomów.
- Wszystkie atomy danego pierwiastka są jednakowe, czyli mają identyczny kształt, masę i właściwości. Natomiast różne pierwiastki zbudowane są z różnych atomów.
- W reakcjach chemicznych zmienia się tylko sposób połączenia atomów budujących - w określonych proporcjach - cząsteczki związków chemicznych (7).
Kolejnym odkryciem, również opartym na obserwacji przebiegu chemicznych przemian, była hipoteza włoskiego fizyka Amadeo Avogadro. Uczony doszedł do wniosku, że jednakowe objętości gazów w identycznych warunkach (ciśnienie i temperatura) zawierają taką samą liczbę cząsteczek. Stwierdzenie to umożliwiło wyznaczenie wzorów wielu związków chemicznych oraz określenie mas atomów.
Ile razy przeciąć?
Powstanie idei atomu związane było z pytaniem: "Czy istnieje kres podziału materii?". Dla przykładu: weźmy dorodne jabłko o średnicy 10 cm oraz nóż i zacznijmy kroić owoc na plasterki. Najpierw na pół, potem połówkę jabłka na kolejne dwie części (równolegle do poprzedniego cięcia) itd. Po kilku razach oczywiście skończymy, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby eksperyment kontynuować w wyobraźni.* Ile zatem cięć musimy wykonać, aby otrzymać plasterek o grubości jednego atomu? Tysiąc, milion, czy może jeszcze więcej?
Zjadając pokrojone jabłko (smacznego!), przystąpmy do obliczeń (znającym pojęcie ciągu geometrycznego sprawią one mniej kłopotu). Pierwszy podział da nam połówkę owocu o grubości 5 cm, kolejne cięcie - plaster o grubości 2,5 cm itd. Ponieważ rozmiary atomów są rzędu stumilionowej części centymetra (10-8, czyli 0,000 000 01 cm), jednoatomową grubość plasterka osiągniemy już przy ok.… 30 podziale! "Droga" do świata atomów nie jest więc długa.
*) Posługujemy się nożem o nieskończenie cienkim ostrzu. W rzeczywistości taki przedmiot nie istnieje, ale skoro Albert Einstein w swych dociekaniach rozważał pociągi poruszające się z prędkością światła, nam również wolno - na użytek myślowego eksperymentu - poczynić powyższe założenie.
Platońskie atomy
Platon, jeden z największych umysłów starożytności, w dialogu "Timajos" opisał atomy, z których miały składać się żywioły. Twory te miały kształty wielościanów foremnych (brył platońskich). I tak czworościan był atomem ognia (jako najmniejszy i najbardziej lotny), ośmiościan to atom powietrza, a dwudziestościan - wody (wszystkie bryły mają ściany zbudowane z trójkątów równobocznych). Utworzony z kwadratów sześcian to atom ziemi, natomiast złożony z pięciokątów dwunastościan był atomem idealnego pierwiastka - niebiańskiego eteru (8).
